2020年12月7日，北京大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院、北大-清華生命科學(xué)聯(lián)合中心陳興教授課題組在《自然-方法》（Nature Methods）雜志在線發(fā)表了題為“Click-ExM enables expansion microscopy for all biomolecules”的研究論文，報(bào)道了基于點(diǎn)擊化學(xué)的膨脹顯微成像技術(shù)（Click-ExM），提供了一種通用、便捷的策略對各種生物分子進(jìn)行超分辨熒光成像。

“工欲善其事，必先利其器”。探尋生命的奧秘，首先需要看得足夠清楚。然而由于光學(xué)衍射極限的限制，常規(guī)的熒光顯微鏡難以對精細(xì)的亞細(xì)胞結(jié)構(gòu)進(jìn)行分辨。超分辨熒光成像技術(shù)，使人們能夠看清在200nm以內(nèi)的生物分子。不過這些技術(shù)通常依賴于昂貴的儀器和精密的算法，而且在組織樣品中的成像性能一般。

膨脹顯微成像技術(shù)（Expansion microscopy，ExM）則從樣品制備入手，繞過了光學(xué)衍射極限，實(shí)現(xiàn)了讓超分辨熒光成像“飛入尋常百姓家”。整個流程中首先將丙烯酸鹽充滿整個生物樣品內(nèi)部，并使其聚合形成凝膠。凝膠吸水膨脹后，原本臨近的生物分子被拉遠(yuǎn)，但相對位置保持不變。因此利用常規(guī)的熒光顯微鏡對膨脹后的樣品進(jìn)行成像，同樣可實(shí)現(xiàn)超分辨的成像效果。然而目前的ExM技術(shù)缺乏一種普適性的在凝膠中錨定生物分子的策略，因此其應(yīng)用范圍局限于蛋白質(zhì)、核酸，無法對脂質(zhì)、聚糖以及小分子等生物分子進(jìn)行成像。

Click-ExM的工作流程（以炔基標(biāo)記的生物分子為例）

Click-ExM的設(shè)計(jì)理念是利用帶有生物正交官能團(tuán)（如疊氮、炔基等）的化學(xué)探針對細(xì)胞進(jìn)行代謝標(biāo)記，通過點(diǎn)擊化學(xué)連接上生物素，再基于生物素與鏈霉親和素相互作用，最終將被標(biāo)記的生物分子轉(zhuǎn)變?yōu)榕歼B熒光分子的鏈霉親和素。偶連熒光分子的鏈霉親和素在其中起到了三方面作用：識別生物分子、報(bào)告熒光信號、錨定到凝膠中。

作者采用了多種含有生物正交官能團(tuán)的化學(xué)探針，對脂質(zhì)、聚糖、蛋白質(zhì)、核酸、小分子等多種生物分子進(jìn)行Click-ExM成像，并將該技術(shù)應(yīng)用于原代細(xì)胞和腦組織切片等生物體系中，其中首次實(shí)現(xiàn)了對多種脂質(zhì)、聚糖以及小分子的ExM成像。同時，由于Click-ExM技術(shù)與傳統(tǒng)的ExM流程兼容，因此可與多種現(xiàn)有的標(biāo)記方法相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)多色熒光成像。此外，由于樣品膨脹會稀釋熒光分子的濃度，作者還利用鏈霉親和素的多價相互作用，開發(fā)出信號放大策略，有助于成像低豐度的生物分子。值得一提的是，Click-ExM技術(shù)中各步均為模塊化設(shè)計(jì)，且大部分化學(xué)試劑可商業(yè)化購買，不需要繁瑣的化學(xué)合成和步驟優(yōu)化，因此有希望被廣泛應(yīng)用于后續(xù)的生物學(xué)研究中。

總之，該工作利用了前沿的化學(xué)生物學(xué)手段，建立了一種通用型的ExM技術(shù)：Click-ExM，并拓展了其在超分辨熒光成像領(lǐng)域中的應(yīng)用。

陳興為該研究論文的通訊作者，北京大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院2016級博士研究生孫德恩為第一作者。該工作中的部分化學(xué)探針、細(xì)胞和組織樣品制備分別在北京大學(xué)雷曉光、王世強(qiáng)、饒毅教授課題組進(jìn)行。該研究工作得到了國家自然科學(xué)基金委、科技部、北大-清華生命科學(xué)聯(lián)合中心和北京分子科學(xué)國家研究中心的資助。

來源：北京大學(xué)